We współczesnym świecie każda osoba od dzieciństwa była narażona na działanie elektryczności. Pierwsza wzmianka o tym naturalnym zjawisku pochodzi z czasów filozofów Arystotelesa i Talesa, których intrygowały niesamowite i tajemnicze właściwości prądu elektrycznego. Ale dopiero w XVII wieku wielkie umysły naukowe rozpoczęły serię odkryć dotyczących energii elektrycznej, która trwa do dziś.
Odkrycie prądu elektrycznego i stworzenie przez Michaela Faradaya w 1831 roku pierwszego na świecie generatora radykalnie zmieniło ludzkie życie. Przyzwyczailiśmy się do tego, że nasze życie ułatwiają urządzenia wykorzystujące energię elektryczną, ale do tej pory większość ludzi nie rozumie tego ważnego zjawiska. Na początek, aby zrozumieć podstawowe zasady elektryczności, konieczne jest przestudiowanie dwóch podstawowych definicji: prądu elektrycznego i napięcia.
Zawartość
Co to jest prąd i napięcie elektryczne?
Elektryczność to uporządkowany ruch naładowanych cząstek (nośniki ładunku elektrycznego,). Nośnikami prądu elektrycznego są elektrony (w metalach i gazach), kationy i aniony (w elektrolitach), dziury o przewodności elektron-dziura. Zjawisko to objawia się wytworzeniem pola magnetycznego, zmianą składu chemicznego lub nagrzewaniem się przewodników. Główne cechy prądu to:
- natężenie prądu, określone przez prawo Ohma i mierzone w amperach (ALE), we wzorach jest oznaczony literą I;
- moc, zgodnie z prawem Joule'a-Lenza, mierzona w watach (Wt), oznaczony literą P;
- częstotliwość mierzona w hercach (Hz).
Prąd elektryczny jako nośnik energii służy do pozyskiwania energii mechanicznej za pomocą silników elektrycznych, pozyskiwania energii cieplnej w urządzeniach grzewczych, spawaniu elektrycznym i grzejnikach, wzbudzaniu fal elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach, wytwarzaniu pola magnetycznego w elektromagnesach oraz uzyskiwaniu światła energia w oprawach oświetleniowych i różnego rodzaju lampach.
Napięcie to praca wykonana przez pole elektryczne, aby przenieść ładunek 1 wisiorka (Cl) z jednego punktu przewodnika do drugiego. W oparciu o tę definicję nadal trudno jest zrozumieć, czym jest stres.
Aby naładowane cząstki mogły przemieszczać się z jednego bieguna na drugi, konieczne jest stworzenie różnicy potencjałów między tymi biegunami (To się nazywa napięcie.). Jednostką napięcia jest wolt (W).
Aby wreszcie zrozumieć definicję prądu elektrycznego i napięcia, można podać interesującą analogię: wyobraź sobie, że ładunek elektryczny to woda, wtedy ciśnienie wody w kolumnie to napięcie, a prędkość przepływu wody w rurze to siła prądu elektrycznego. Im wyższe napięcie, tym większy prąd elektryczny.
Co to jest prąd przemienny
Jeśli zmienisz polaryzację potencjałów, zmieni się kierunek przepływu prądu elektrycznego. To ten prąd nazywany jest zmiennym. Liczba zmian kierunku w pewnym okresie czasu nazywana jest częstotliwością i jest mierzona, jak wspomniano powyżej, w hercach (Hz). Na przykład w standardowej sieci elektrycznej w naszym kraju częstotliwość wynosi 50 Hz, czyli kierunek ruchu prądu zmienia się 50 razy na sekundę.
Co to jest prąd stały
Gdy uporządkowany ruch naładowanych cząstek ma zawsze tylko jeden kierunek, wówczas taki prąd nazywamy stałym. Prąd stały występuje w sieci o stałym napięciu, gdy polaryzacja ładunków po jednej i drugiej stronie jest stała w czasie. Jest bardzo często stosowany w różnych urządzeniach elektronicznych i technologii, gdy nie jest wymagane przesyłanie energii na duże odległości.
Źródła prądu elektrycznego
Źródło prądu elektrycznego zwykle nazywane urządzeniem lub urządzeniem, za pomocą którego można wytworzyć prąd elektryczny w obwodzie. Takie urządzenia mogą wytwarzać zarówno prąd przemienny, jak i prąd stały. Zgodnie z metodą wytwarzania prądu elektrycznego dzieli się je na mechaniczne, lekkie, termiczne i chemiczne.
Mechaniczny Źródła prądu elektrycznego przekształcają energię mechaniczną w energię elektryczną.Te urządzenia są różnego rodzaju. generatory, które w wyniku obrotu elektromagnesu wokół cewki silników asynchronicznych wytwarzają przemienny prąd elektryczny.
światło źródła przetwarzają energię fotonów (energia świetlna) na energię elektryczną. Wykorzystują właściwość półprzewodników do wytwarzania napięcia pod wpływem strumienia światła. Jednym z takich urządzeń są panele słoneczne.
Termiczny - przetwarzają energię cieplną na energię elektryczną dzięki różnicy temperatur pomiędzy dwiema parami stykających się półprzewodników - termopar. Wielkość prądu w takich urządzeniach jest bezpośrednio związana z różnicą temperatur: im większa różnica, tym większa siła prądu. Takie źródła wykorzystywane są np. w elektrowniach geotermalnych.
Chemiczny źródło prądu wytwarza energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznych. Na przykład takie urządzenia obejmują różnego rodzaju baterie i akumulatory galwaniczne. Źródła prądu oparte na ogniwach galwanicznych znajdują zastosowanie najczęściej w samodzielnych urządzeniach, samochodach, technologii i są źródłami prądu stałego.
Konwersja AC na DC
Urządzenia elektryczne na świecie wykorzystują prąd stały i przemienny. Dlatego istnieje potrzeba zamiany jednego prądu na inny lub odwrotnie.
Z prądu przemiennego prąd stały można uzyskać za pomocą mostka diodowego lub, jak to się nazywa, „prostownika”. Rdzeń prostownika to dioda półprzewodnikowa, która przewodzi prąd tylko w jednym kierunku. Po tej diodzie prąd nie zmienia swojego kierunku, ale pojawiają się zmarszczki, które są niwelowane za pomocą kondensatory i inne filtry. Prostowniki są dostępne w wersji mechanicznej, elektropróżniowej lub półprzewodnikowej.
W zależności od jakości wykonania takiego urządzenia, tętnienie prądu na wyjściu będzie miało z reguły inną wartość, im droższe i lepsze urządzenie, tym mniej tętnień i czystszy prąd. Przykładem takich urządzeń są Zasilacze różne urządzenia i ładowarki, prostowniki elektrowni w różnych środkach transportu, spawarki prądu stałego i inne.
Falowniki służą do konwersji prądu stałego na prąd przemienny. Takie urządzenia generują napięcie przemienne z sinusoidą. Istnieje kilka rodzajów takich urządzeń: falowniki z silnikami elektrycznymi, przekaźnikowe i elektroniczne. Wszystkie różnią się między sobą jakością wyjściowego prądu przemiennego, kosztem i wielkością. Przykładem takiego urządzenia są zasilacze awaryjne, falowniki w samochodach czy np. w elektrowniach słonecznych.
Gdzie jest używany i jakie są zalety prądu przemiennego i stałego
Różne zadania mogą wymagać użycia zarówno prądu przemiennego, jak i stałego. Każdy rodzaj prądu ma swoje zalety i wady.
Prąd przemienny najczęściej stosowany, gdy istnieje potrzeba przesyłania prądu na duże odległości. Bardziej celowe jest przesyłanie takiego prądu z punktu widzenia możliwych strat i kosztów sprzętu. Dlatego większość urządzeń i mechanizmów elektrycznych wykorzystuje tylko ten rodzaj prądu.
Domy mieszkalne i przedsiębiorstwa, infrastruktura i obiekty transportowe znajdują się w pewnej odległości od elektrowni, więc wszystkie sieci elektryczne są zasilane prądem zmiennym. Takie sieci zasilają wszystkie urządzenia gospodarstwa domowego, urządzenia przemysłowe, lokomotywy pociągów. Istnieje niesamowita liczba urządzeń pracujących na prądzie zmiennym i znacznie łatwiej jest opisać te urządzenia, które korzystają z prądu stałego.
DC stosowane w systemach autonomicznych, takich jak systemy pokładowe samochodów, samolotów, statków czy pociągów elektrycznych. Jest szeroko stosowany w zasilaniu mikroukładów różnych urządzeń elektronicznych, w komunikacji i innym sprzęcie, gdzie wymagane jest zminimalizowanie ilości zakłóceń i tętnień lub ich całkowite wyeliminowanie. W niektórych przypadkach taki prąd jest używany w spawaniu elektrycznym za pomocą falowników. Istnieją nawet lokomotywy kolejowe, które działają na systemach prądu stałego. W medycynie taki prąd służy do wprowadzania leków do organizmu za pomocą elektroforezy oraz do celów naukowych do oddzielania różnych substancji (elektroforeza białek itp.).
Oznaczenia na urządzeniach elektrycznych i schematach
Często istnieje potrzeba ustalenia, na jakim prądzie pracuje urządzenie. W końcu podłączenie urządzenia działającego na prąd stały do sieci elektrycznej prądu przemiennego nieuchronnie doprowadzi do nieprzyjemnych konsekwencji: uszkodzenia urządzenia, pożaru, porażenia prądem. Do tego są ogólnie akceptowane konwencje do takich systemów, a nawet kodowania kolorami przewodów.
Konwencjonalnie w urządzeniach elektrycznych pracujących na prądzie stałym wskazano jedną linię, dwie linie ciągłe lub linię ciągłą wraz z linią przerywaną, umieszczoną jedna pod drugą. Również taki prąd jest oznaczony literami łacińskimi DC. Izolacja elektryczna przewodów w układach prądu stałego dla przewodu dodatniego ma kolor czerwony, przewód ujemny niebieski lub czarny.
W urządzeniach i maszynach elektrycznych prąd przemienny jest oznaczony angielskim skrótem AC lub falista linia. Na schematach iw opisie urządzeń wskazują to również dwie linie: ciągła i falista, umieszczone jedna pod drugą. Przewodniki w większości przypadków są oznaczone następująco: faza jest brązowa lub czarna, zero jest niebieskie, a masa żółto-zielona.
Dlaczego prąd przemienny jest częściej używany?
Powyżej rozmawialiśmy już o tym, dlaczego prąd przemienny jest obecnie używany częściej niż prąd stały. A jednak przyjrzyjmy się temu zagadnieniu bardziej szczegółowo.
Debata o tym, który prąd jest lepszy, trwa od czasu odkryć w dziedzinie elektryczności. Istnieje nawet coś takiego jak „wojna prądów” – konfrontacja Thomasa Edisona z Nikolą Teslą o użycie jednego z rodzajów prądu. Walka między zwolennikami tych wielkich naukowców trwała do 2007 roku, kiedy to miasto Nowy Jork zostało przełączone na prąd zmienny z prądu stałego.
Największym powodem, dla którego AC jest używany częściej, jest to, że możliwość przesyłania go na duże odległości przy minimalnych stratach. Im większa odległość między źródłem prądu a odbiorcą końcowym, tym większa rezystancja przewody i straty ciepła do ich ogrzewania.
Aby uzyskać maksymalną moc, konieczne jest zwiększenie grubości drutów (a tym samym zmniejszyć opór) lub zwiększ napięcie.
W systemach prądu przemiennego można zwiększyć napięcie przy minimalnej grubości przewodów, zmniejszając w ten sposób koszt linii elektrycznych. W przypadku systemów z prądem stałym nie ma niedrogich i skutecznych sposobów zwiększania napięcia, dlatego w przypadku takich sieci konieczne jest albo zwiększenie grubości przewodów, albo zbudowanie dużej liczby małych elektrowni. Obie te metody są drogie i znacznie zwiększają koszt energii elektrycznej w porównaniu z sieciami AC.
Za pomocą transformatorów elektrycznych napięcie prądu przemiennego jest skuteczne (ze sprawnością do 99%) można zmieniać w dowolnym kierunku od wartości minimalnych do maksymalnych, co jest również jedną z ważnych zalet sieci AC. Zastosowanie trójfazowego systemu prądu przemiennego dodatkowo zwiększa wydajność, a maszyny takie jak silniki zasilane prądem przemiennym są znacznie mniejsze, tańsze i łatwiejsze w utrzymaniu niż silniki prądu stałego.
Na podstawie powyższego można stwierdzić, że stosowanie prądu przemiennego jest korzystne w dużych sieciach i przy przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości, a dla dokładnej i wydajnej pracy urządzeń elektronicznych oraz dla urządzeń autonomicznych wskazane jest stosowanie prądu stałego.
Podobne artykuły:
